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戴上它,红绿色盲患者也能考驾照——含金纳米颗粒的隐形眼镜

高分子科学前沿

作者|高分子科学前沿 来源|高分子科学前沿(ID:Polymer-science)

小明从小喜欢摆弄飞机模型,他立志要成为一个出色的飞行员。为了这个梦想,他努力学习、锻炼身体。终于,心仪的学校来到他的学校招飞行员。他果断报名,经过一系列的测试,他的学科成绩优异,身体各项指标超出及格线。可遗憾地是,他并没有被录取。因为,他被诊断出“红绿色觉缺陷”,也就是红绿色盲。

像上面说的相类似的故事我不知道会有多少个,但可以很确定的是色盲给患者的生活带来了或多或少的变化。毕竟,第一个发现色盲这个疾病的人自己本身也是一个色盲。

色觉缺乏症(CVD),也就是色盲,是一种遗传性眼疾,色盲患者中男性占大多数。色盲其实分很多种,不过最常见的就是“红绿色盲”,也就是不能区分红色和绿色。

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图源:摄图网

患上色盲的人虽然能够生活,但是却被限制了很多东西。比如,开车的时候区别不了红灯亮还是绿灯亮;不能在军事,航空和某些医疗领域工作。在日常生活中,不能辨别水果是否成熟,不能像其他人一样欣赏艺术画作,搭配衣服的时候可能会搭出赛狗屎的“红配绿”,等等。

有没有治疗红绿色盲的药物呢?

答案是没有。因为红绿色盲是先天性遗传造成的,除非你能改变基因(近年来,通过基因治疗对非人类灵长类动物进行色觉缺陷治疗的广泛研究显示出了可喜的结果。但是,后者尚未应用于人类。)。

不过,红绿色盲虽然目前无法治愈,但是可以通过佩戴特殊眼镜来帮助辨别颜色。第一个“色盲眼镜”是James Clerk Maxwell在1854年发明的。

对于缺乏色觉的人来说,戴色盲眼镜确实是最好的选择的,但是外框眼镜的镜片颜色比正常眼镜要深一些。因此,为了不会那么容易被发现是色盲,后续又发明了隐形眼镜。

因此,使用隐形眼镜来矫正色觉的想法也不是什么新鲜事,但是以前的隐形眼镜,如 Chromagen隐形眼镜,效果不是很好,而且可能对眼睛有害。

近期,在ACS Nano上的一篇论文中,科学家在隐形眼镜中注入金纳米粒子,可以创造一种更安全的看见颜色的隐形镜片。

贵金属纳米颗粒,尤其是金和银,具有出色的电学和光学特性,适用于各种生物医学应用,例如分子成像,靶向药物递送和生物传感器制造。金纳米复合材料已用于多种光学应用,但是在19世纪初期,金纳米颗粒在1802年只是用作玻璃的着色剂。

在熔融玻璃中加入氯化金可以制造出“蔓越莓”玻璃,使玻璃呈现出红色色调。科学家从这项古老的技术中获得了灵感——何不将金纳米粒子添加到软性隐形眼镜中,使其呈现出红色,可帮助红色色盲患者更高分辨出这一光谱中的颜色。

这一想法很好,就是制作的难度很大。为此,他们测试了不同纳米颗粒与透镜材料的比例,来获得最佳的材料性能,同时还要避免纳米颗粒聚集在一块。

为了制造隐形眼镜,研究人员将金纳米粒子均匀地混合到水凝胶聚合物中,产生玫瑰色凝胶,过滤520-580纳米(红色和绿色重叠的波长)内的光。

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图1.色觉不足时的视觉感知。(a)眼睛内部的视锥细胞和视杆细胞。(b)正常色觉和不同类型的色盲所观察到的有色材料的图像。(c)正常,(d)质子和(e)氘代烷在520 nm处的感光细胞活化百分比。(f)Mie理论模拟了金纳米颗粒的吸收光谱随其直径的变化。

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图2.(a)12 nm 金纳米颗粒,(b)40 nm 金纳米颗粒和(c)80 nm 金纳米颗粒的预聚合特征:(i)纳米粒子的TEM显微照片及其尺寸分布直方图;(ii)纳米颗粒在其溶液中的透射光谱;(iii)无论是通过实验还是根据Mie理论预测,改变纳米颗粒溶液的折射率对表面等离振子共振位置的影响。

科学家对三组纳米颗粒进行了表征。这三个纳米粒子组的直径分别为12.73±4.01、44.31±4.17和85.82±6.57 nm。

40和12 nm的金纳米颗粒组直径的标准偏差都相对较高,因为它们分别占近10%和30%,而80 nm的多分散性较小,因为其标准偏差仅为纳米颗粒直径的6.5%。

尽管如此,TEM图像(图2)表明所有金纳米颗粒均分布均匀,没有聚集或团聚的迹象。

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图3.聚合的12 nm GNC,40 nm GNC和80 nm GNC(从左到右):(a)聚合纳米复合材料的透射光谱;(b)纳米复合物在聚合之前的溶液(规模:10毫米);(c)聚合溶液并获得纳米复合材料镜片的步骤;(d)不同浓度(比例尺:10 mm)的聚合纳米复合材料镜片。注意,A和D分别具有最低和最高的添加纳米颗粒浓度。

显影前后纳米复合材料的透射光谱及其图像如图3所示。最初在40 nm GNC中,纳米颗粒浓度的增加导致半峰全宽降低,表明纳米颗粒在透镜中分散良好。

为了验证纳米粒子在透镜中的聚集或簇形成,对最低和最高浓度的纳米复合材料横截面的SEM显微照片进行了成像。

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图4.(a)12 nm GNC,(b)40 nm GNC和(c)80 nm GNC的SEM显微照片,其中图像(i)和(ii)表示最低和最高浓缩样品,分别表示为A和d在图3。

最有效的隐形眼镜是那些带有40纳米金纳米粒子的隐形眼镜,因为在测试中,这些粒子不会结块或过滤掉多余的颜色。

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图5.(a)12 nm GNC,(b)40 nm GNC和(c)80 nm GNC的润湿性和水分含量测量:(i)四种纳米复合材料的接触角测量,在图中以A–D表示3,采用固着落法;(ii)纳米粒子浓度对金纳米复合材料的水含量和接触角的影响。

图5显示了添加纳米颗粒对三种纳米复合材料镜片的水含量和接触角的影响。由于纳米颗粒浓度的增加,镜片的保水率和润湿性降低。因此,隐形眼镜的表面变得更疏水,并且纳米复合材料的溶胀度降低。尽管如此,三组曲线之间的定量差异很少。首先,12和40 nm GNC的接触角偏移范围几乎均为17°,而80 nm GNC的接触角偏移范围为6.5°。后者可能是由于纳米粒子在表面上不丰富或者它们在聚合物链中混合得很好。

保水率的降低小于9%,这表明聚集体并未严重阻碍水凝胶内的运输。纳米颗粒不会使镜片完全疏水,因此可以用于隐形眼镜。

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图6.纳米复合材料镜片的性能评估。(a)12、40和80 nm金纳米复合材料的透射光谱与质子或deutan感光锥的光谱灵敏度相比。(b)与Enchroma,VINO和Atto染色镜片的光谱相比,该12、40和80 nm金纳米复合材料的透射光谱。(c)与已开发的纳米复合镜片相比,一些常见的商用隐形眼镜的接触角和水含量的说明。

最后,研究人员直接将他们的新材料与两副市售的有色眼镜以及他们以前开发的热粉色染色隐形眼镜进行了比较,发现金纳米复合透镜在阻挡波长方面比玻璃更具选择性。新镜片与染色隐形眼镜的波长范围相匹配,表明金纳米复合材料镜片适用于红绿颜色问题的人,而不会有潜在的安全问题。

此外,所制备的纳米复合材料的保水性和润湿性优于一些市售隐形眼镜。因此,可以得出结论,这些镜片可用于帮助色盲患者。结果还表明,纳米复合材料镜片与巨噬细胞具有生物相容性。

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图7.纳米复合隐形眼镜的制造过程示意图。(a)超声处理纳米颗粒以破坏初始的团聚体和团簇。(b)纳米复合材料溶液的UV聚合和纳米复合材料透镜的形成。

纳米粒子克服了染料的局限性,因为它们既具有生物相容性又在水凝胶基质中稳定。

科学家们仍然需要测试他们的镜头在更广泛的人群,开展进一步的测试来评估透氧性。因此,如果开发的水凝胶纳米复合材料显示出了优异的光学和材料性能,相信在未来,患有红绿色盲的人也能当上飞行员、艺术家了。

编者按:本文转载自微信公众号:高分子科学前沿(ID:Polymer-science)


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